國內循環水養殖發展中的殘餌糞便污染與治理現狀分析

付成東 劉華兵 楊志 焦魁虎 孫慧群

摘要 循環水養殖模式（RAS）是目前國內水產工廠化養殖推行的節能、環保、高產模式，但由于養殖者重生產、輕管理、不懂技術及技術不成熟等原因，使養殖區殘餌糞便污染一直得不到很好的解決，成了RAS模式最核心的技術難題。通過探討國內RAS模式發展現狀及工藝中存在的問題，分析了RAS系統中殘餌糞便成分及其污染危害，并針對其治理工藝和技術提出研究的思路。

關鍵詞 循環水養殖；殘餌；糞便；污染；治理現狀

中圖分類號 S949 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）32-0076-04

Analysis of Pollution and Treatment Status of Residual Bait Feces in the Development of Domestic Recirculating Aquaculture

FU Chengdong1，LIU Huabing2， YANG Zhi1 et al

（1.Environmental Protection Bureau of Yingjiang District， Anqing City， Anqing，Anhui 246000；2.College of Resources and Environment， Anqing Normal University， Anqing，Anhui 246133）

Abstract The model of RAS is an energysaving， environmentfriendly and highyield model for domestic aquaculture factorization at present. However， because the breeders who do not understand the technology or possess immature technology pay more attention to production， less management， so that the pollution of baits and feces in breeding areas have not been well resolved with the result that it has become a core technical problem of the RAS model. Based on the discussion of the present development situation of the domestic RAS model and the existing problems in the process， this paper analyzed the components of residual baits and feces and its pollution harm in the RAS system， and puts forward some ideas for further research aiming at its treatment process and technology.

Key words Recirculating aquaculture；Residual bait；Feces；Pollution；Treatment status

作者簡介 付成東（1976—），男，安徽安慶人，工程師，從事水污染治理研究。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事水污染治理與生態恢復研究。

收稿日期 2018-09-09

全球漁業計劃判斷，今后10～15年全球水產養殖量增長率要達到100%，才能符合全球人民對水產品的需求，我國水產品總產量連續20多年位居世界首位[1]，對全球水產的貢獻巨大，但我國是一個水資源非常匱乏的國家，近年來因養殖水域的二次污染和過度開發，水資源日益縮減，許多水產養殖基地養殖水面逐年減少。利用有限的水資源獲得高產優質水產品，解決水產養殖快速發展與養殖環境日益惡化的矛盾[2-3]，成了當前國內水產領域重要的課題，低碳高效環保型的循環水養殖模式（recirculating aquaculture system，RAS）由此應運而生。筆者通過對國內RAS模式發展現狀、工藝中存在問題的分析，探討了RAS系統中殘餌糞便污染的成分、形成原因和治理現狀，以期為RAS模式殘餌糞便的高效收集清除提供科學啟發作用。

1 我國循環水養殖發展現狀

自2016年到現在，我國促使水產養殖業重大轉型的事件是網箱拆除事件，曾經作為傳統養殖模式中極為重要的網箱養殖，對水資源十分依賴，一旦水源匱乏或污染，養殖就面臨巨大風險，此問題近年來不斷出現。我國RAS模式于20世紀90年代初以“溫室大棚+深井海水”工廠化養殖模型逐步發展起來。2013年，蘇州引進美國大豆出口協會80∶20模式技術轉型和升級示范試驗，這種低碳高效池塘循環水養殖技術（intensive pond aquaculture，IPA）即是RAS的一種形式，它通過建造流水養殖池和安裝推水曝氣設備，使原有的靜態池塘變成動態循環流水，將池塘“開放式散養”變成“生態式圈養”[4-5]。截至2016年，池塘循環水養殖體系在國內陸續建立了起來，RAS作為水產養殖工廠化發展最先進的生產方式，被認為是21世紀水產養殖業發展的主導方向之一。

RAS模式下，水產品在封閉水域中經過一段時間的圈養后，其中的水不再適宜水產品的生存，對這些污水經過沉淀、過濾、消毒處理，使之再次變成適宜水產品生存的水資源，從而實現循環利用[6-7]。實踐表明，該模式具有以下優點：①低碳環保。同樣的生物負載下，RAS所消耗的能量遠遠低于傳統水產養殖所消耗的能量，能有效地處理由于氮、磷等污染物質引起的養殖水體富營養化和污染，同時沒有養殖廢水排出，實現水體零排放[8]。②高密度高效益。與傳統養殖方式相比，RAS模式需要的面積小很多，所以養殖密度大大提高，如虞城縣推廣80∶20模式放養全雄性羅非魚的密度可達1 935 kg/hm2[9]。相同面積的養殖水體，經濟產出比傳統養殖高出幾十倍，有人計算過，傳統養殖方式下總產量10 t的魚必須養在0.67 hm2的魚塘里，而在RAS模式下125 m2的水池就可達到此產量。③養殖周期短。所興等[10]鱘養殖試驗結果表明RAS適合鱘常年快速生長，5 cm長的魚種12個月可長成1.5 kg的商品魚，養殖周期大大縮短。由于養殖周期短，一年間可以多次下苗多次產出，最終達到利潤最大化。④不受惡劣環境影響。RAS可以在含有淡水水域或海水水域的任意地方建立養殖工廠，不受惡劣的地區環境以及水資源短缺等問題困擾，而且相對封閉的養殖空間能有效阻隔病害和控制病源的入侵。⑤節約成本。雖然剛投入運行時集約化及自動化設備的使用使成本比傳統養殖模式高，但一次投入多年受益，大大節省了成本[11]。⑥具觀賞性，把景觀價值和經濟效益融合在一起。

盡管有這些優點，但由于受到現有設施水平和生產成本等方面的制約，目前國內陸基工廠化養殖系統仍以流水養殖為主，高效RAS模式所占比例不高[12]。

2 RAS系統殘餌糞便污染與處理

RAS系統養殖尾水污染概括起來污染分外源和內源兩類，外源污染除了周邊環境的地表徑流面源污染，主要是餌料和藥物等引起的污染；內源污染主要是代謝物引起的糞便污染，以及病菌污染。餌料糞便污染構成了養殖水體固廢物污染的主體。

2.1 餌料糞便成分分析

餌料主要分為天然和人工餌料兩大類，天然餌料有禾本科植物、水生維管束植物、細菌、浮游生物、底棲生物、有機碎屑等，人工餌料是通過一些農作物和植物的副產品制作而成，如青餌料、大豆類、糠麩類、油餅類、油類作物種子榨油后產生的副產品等。糞便的1/4是水分，其余大多是脫了水的殘余消化液，以及從水產品的腸道脫落的壞死細胞和失去活性的細菌，還有未能消化的蛋白質、食物纖維、脂肪、無機物等。殘餌糞便大部分被積累到水底沉積物中，其中蛋白質約占17%，脂肪占3%，碳水化合物占62%，此外還有少量的磷、維生素和藥物[13]，主要污染元素是N和P。殘餌糞便中的N和P可被水中微生物等分解者利用，最終轉化成無機物被水生植物等通過光合作用固定，不能被利用又未得到人為清除則累積形成污染。

2.2 殘餌糞便的產生與性能分析

殘餌糞便的產生負荷取決于多種因素，如養殖動物密度、餌料特性、養殖模式、水深、流速、水體自凈能力等[13]。Tovar等[14]對池塘養魚污染負荷的計算發現，每養殖l t魚，約外排9104.57 kg總懸浮固體，可見RAS系統殘餌糞便的產生負荷與養殖密度有很大關系。水產品對餌料的食用程度與餌料特性有關。池塘養殖虹鱒魚時，投入濕餌料有5%～10%不能被魚食用，投入干餌料有1%～5%不能被魚食用，若養殖冰鮮魚則有約30%餌料不能被食用[15]。被食用的部分在魚體內的吸收率隨魚的食性而不同，肉食性魚類通常高于90%，雜食性魚類約80%，植食性和腐食性魚類低于80%，有20%～30%隨糞便進入水體。不同餌料產生的糞便顆粒大小不同，沉降速度不同，RAS系統殘餌糞便中，粒徑>100 μm的顆粒稱為沉淀顆粒（settleable solids），粒徑<100 μm的稱為非沉淀顆粒（unsettleable solids）。沉淀顆粒在水流和水產品運動的作用力下，逐漸被打散成直徑<30 μm的細微顆粒，非沉淀顆粒下降速率只有0.01 cm/s[16]，非沉淀顆粒若不及時從養殖池移出，就會有越來越多的殘餌糞便成為難以沉降的TSS。

2.3 殘餌糞便污染危害分析

水產養殖廢水的成分不同于工業廢水，主要由易降解有機物、營養鹽和藥物組成，其最敏感的2個指標是可溶性污染物中的NH4+-N和殘餌糞便顆粒物，對水環境的影響主要表現在以下三方面：導致DO等理化因子改變；惡化底泥環境；破壞水體原有的生態。前人研究發現，底泥耗O2可導致養殖水體的DO需求增加5倍，且隨著底泥的累積，水體耗O2量呈線性增加[13]。養殖池中存在過剩餌料、未被水產品吸收餌料、代謝排出糞便以及人為施加肥料等污染，這些污染均導致外循環BOD、N、P及細菌等有害物質大量增加，一方面嚴重增加了外循環的處理負荷，另一方面使底泥耗O2增多，厭氧菌迅速繁殖，部分有機物在底泥中轉化成氨、硫化氫等惡臭氣體，由此增加了養殖水體富營養化和發臭的風險。Gowen 等[17]認為，在12 個月的養殖期內，每養殖50 t 魚將會產生19.4 t有機碳、2.2 t 有機氮和4.0 t可溶性含氮化合物，富營養化水體有機碳含量可升高至原水平的4～5倍。

除了上述危害，NH4+-N還具有一定的毒性，NH4+-N達到一定濃度可使水產品抗病能力明顯下降，易發生大面積病害。一些養殖廠雖然沒有出現水產品大量死亡，但養殖時間久，污染積累，養殖的生產效率將變得低下，出產的水產品質量差。即使NH4+-N濃度不高，也對水產品的生理功能產生一定的影響。因為NH4+-N在亞硝化菌或光合細菌作用下可轉化成亞硝酸，亞硝酸與一些金屬離子結合后可形成亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽又可與胺類物質結合，形成具有強烈致癌作用的亞硝胺，亞硝酸鹽對魚類還具有蓄積毒性[13]。此外，細微顆粒會使魚鰓堵塞，嚴重影響魚苗成活率和生長率，還容易造成微濾機堵塞，對廢水的生物處理效果產生很大的影響。

2.4 RAS工藝殘餌糞便處理效果分析

國內比較成熟的RAS工藝雖各有特點，但總體上都分養殖區、凈水區和物流控制平臺3個部分（圖1）。

2.4.1 養殖區殘餌糞便處理效果分析。

養殖區主要包括推水池、養殖池和集污池，要保證RAS系統長期正常運轉，養殖池的設計既要能保證充足的DO，又要達到高效自凈的效果，這對影響水產品產量的水流速度和徑深比提出了要求[16]。美國大豆出口協會以流體力學為依據，設計了長22 m、有效寬度4 m、深度2～3 m的養殖池標準尺寸，水流速度和養殖池DO含量由推水池的推水增氧設備調節，以保證養殖池中水產品正常生長的DO達到5 mg/L以上[18]。要保證系統正常和高質量運行，養殖池不能出現固廢物、可溶性污染物和致病微生物污染，要達到這一目標，必須減輕后續處理和凈化的負擔，在養殖池后端設置集污池，排出的污水由泵抽出進入該池，在該池經過沉淀后脫水處理處置。但實際運作表明，殘餌糞便固廢物是目前養殖池無法解決的主要問題，現有的循環水設備集污能力最多只有20%～30%，有的甚至更弱，所以集污池改造和優化成為很多研究者的重點課題。北美用于養殖北極紅點鮭、虹鱒魚、賽蒙鮭魚的循環水系統很多采用雙通道排水排污養殖池，用一個相對小的水流（大約總水流的5%）將大部分的可沉淀顆粒從池底中心沖刷出。國內研究人員對雙通道排水排污養殖系統進行試驗發現，效果并不理想，排污通道大約會浪費掉15%～20%的養殖水，不易推廣采用[19]。可見，國外RAS模式不能照搬照套，適合國內RAS模式的集污工藝有待開發。

2.4.2 凈水區殘餌糞便處理效果分析。

凈水區功能是采用物理、化學、生物等方法對水質進行凈化處理，包括微濾機、弧形篩、泡沫分離、臭氧消毒、生物濾池、紫外線殺菌、加熱恒溫、純氧增氧和生物凈化等一系列技術手段[20]，主要處理總懸浮顆粒物（total suspended substance，TSS）、可溶性污染物和病原微生物。對于TSS的去除，目前生產上多使用機械方法，一般機械過濾去除較大懸浮物，對于非沉淀顆粒處理使用得比較成熟的是微濾機和弧形篩。微濾機的主要工作部件是濾網，其網目數（孔徑）直接影響TSS 去除率，200目濾網的微濾機對TSS的去除率為54.90%[21]，Ali[22]研發的轉鼓式微濾機在羅非魚循環水養殖系統中平均去除率為34.22%～52.41%，分析去除率不高的原因，其一是微濾機在初次使用過程中過濾效果較好，但長期運行中，水體中黏性物質會逐步附著到濾網上，導致濾網孔徑變小，影響過濾能力；其二是RAS系統中TSS粒徑多在10～900 μm，其中30 μm 占到80%～90%[23-24]，目前的微濾機還無法有效去除60 μm 以下的TSS[25]。

弧形篩主要利用液相中顆粒物粒徑大小不同的特點，以一定孔徑的篩網截留顆粒物，實現水體固液分離，Lekang等[26]研究發現，直徑0.25 mm的篩網可有效去除約80%粒徑>70 μm的TSS，其優點是無動力消耗、結構簡單、維護成本低，但網目直徑過小，國內尚無解決自動清洗弧形篩面的技術[20]。

3 RAS系統殘餌糞便污染處理現狀

盡管RAS有著很大的市場前景，但相關數據顯示，目前國內大多數經營RAS項目的投資者并沒有盈利。究其原因，除了技術的復雜性構成風險、規模化投資成本高、能耗大等因素，核心技術中的殘餌糞便清除是目前難以解決的問題。目前多采用沉淀法將糞便殘餌濃縮成污泥隨出水排出系統，但養殖企業普遍反映循環水系統對糞便殘餌的處理未得到足夠的重視，我國近5年循環水養殖研究熱點為養殖池設計、生物濾器、水循環裝置、供氧、電機軸等[12]，更多關注在產量和可溶性污染治理2個板塊，現有的模式缺乏糞便殘餌高效快速去除的機制。

3.1 凈水區殘餌糞便處理工藝

目前凈水區對養殖尾水中殘餌糞便顆粒的處理方法主要有以下2種方式：

①固液分離工藝。這是尾水處理系統的第1個環節，可去除大的顆粒物，從而減輕其環節之后的微濾機產生堵塞現象，同時也可減少能耗。

②蛋白分離工藝。蛋白分離器又稱泡沫分離器，該工藝根據吸附的原理，通過噴射裝置將臭氧或者空氣注入水體底部，產生的大量微氣泡在水中有著很強大的吸附能力，在其向上漂浮的過程中不斷吸附形成絮狀體的非沉淀顆粒以及部分溶解物質等，待氣泡浮到水面后，排污裝置會將吸附的顆粒物去除。但這種技術常用于鹽度5%以上的海水養殖系統中，不能在淡水中使用，因為在海水中易產生泡沫，淡水養殖系統中僅在有機物濃度較高的情況下才適用使用該技術。

3.2 養殖區處理殘餌糞便工藝

很多學者和水產養殖者認為解決水體N、P污染最徹底的方式是將殘餌糞便在進入外循環凈水區之前從系統中清除出去，即在內循環養殖區中解決這一問題。

目前開發出來的內循環末端殘餌糞便清除技術和工藝效果都不好，運行實踐表明，清除的最佳效果不到30%。主要原因在于內循環中的高密度養殖，曝氣、水產品的呼吸和運動、水力學運動使得餌料和糞便無法沉降下去。針對這一問題，很多學者提出降低餌料系數，如減量化，另一些學者嘗試改進和開發處理殘餌糞便的工藝和設備。

減量化是在提高餌料質量和轉化率基礎上實現的，旨在降低餌料系數[21]。目前減量化工藝應用擠壓技術，生產的餌料在攪拌均勻度和脂肪的含量等方面得到了提升，餌料的能量轉化率也大大提高。這項技術也可以生產結構性質不同的餌料，不同種類的水產品食入不同的餌料，餌料能量轉化率提高，養殖池中剩余的餌料量減少。減量化工藝還研發營養元素搭配合理、能量轉換效率高的餌料，減少水體中N、P等營養物質的含量；并采取科學喂食法，根據水產品的不同生長階段、不同生理狀態對營養的需求和養殖的種類不同，嚴格配制集群餌料的量，定時投入餌料。

減量化是防止過多的殘餌進入RAS系統以減輕凈水區處理負荷，對于已存在于養殖池的殘餌如何達到最大化收集，目前仍是被商榷的話題。把殘餌糞便控制在一定的范圍內，通過后端及時收集，再經過沉淀脫水處理變成植物有機肥。在這個工藝流程中，需避免養殖池內糞便被打散、溶解、發酵，所以高效收集殘餌糞便成為RAS系統成功的關鍵。有研究者開發了一種魚料添加劑——amorim cork，這種利用一種中間充滿空氣、密度小、無毒害且不會被魚消化的櫟屬軟木作為添加劑原材料，可使糞便浮起便于水上收集。李釩圖等[27]的半循環水鱒魚飼養試驗顯示，在虹鱒餌料中添加2.5%的amorim cork，糞便即可被運送到表面撇浮器，明顯降低了養殖用水的污染負荷。

現有RAS模式的養殖池與池塘的占比為1.5%～2.0%，這樣的占比會導致產生的殘餌和糞便不能被及時徹底的收集。若想提高占比，需要在養殖池外額外增設促進固廢物收集的工藝，將養殖池改為分路排污結構以提高殘餌與糞便收集效率。田昌鳳等[28]設計了一種分隔式循環水池塘養殖系統，排污裝置為中間低、周圍高的鍋底形，將池內比重較大的固廢物搜集到池底中央，通過集污裝置和吸污裝置排出養殖池外集中處理；生物填料也被用于高效收集和清除TSS[29]。這些研究在實驗室模擬均顯示一定效果，但實踐運作效果鮮見報道，這暗示了養殖池殘餌糞便的收集至今仍停留在起步階段。國內對于RAS殘餌糞便污染的高效收集和清除無論是在凈水區還是在養殖區，都沒有取得質的進展。

4 結語與建議

殘餌糞便污染對RAS系統的健康運行和水產品產量、質量具有較大的危害，并加重水體富營養化、發臭以及NH4+-N對水產品的生理毒性。由于養殖者重生產、輕管理、不懂技術及技術不成熟等原因，目前國內工廠化RAS模式養殖區殘餌糞便污染處理效果一直不理想，而后續凈水區對殘餌糞便顆粒物的處理手段有限，并且顆粒物加重了凈水區污染處理的負荷。國內在改進凈水區固液分離和蛋白分離工藝、探索新工藝、針對養殖區餌料減量化和殘餌糞便收集率等方面開展了研究，但研究仍在摸索階段。要從根本上解決這一問題，研究重點應圍繞以下三方面開展：

①如何使殘餌糞便快速沉降而進入沉淀池；

②如何收集和移除未沉降的殘餌糞便顆粒；

③如何使水產品產生的糞便不易被打碎。

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